M367429 五、新型說明：
V 【新型所屬之技術領域】 本創作關於m轉之麟設計，尤指—_献小型化手 機用五頻操作的天線結構。 ， 【先前技術】 . 料來’隨著手持式行動軌裝置（m貫稱為手機者最為普遍） • 不斷地蓬勃發展，產品的外型也日漸受到重視，除了必須美觀外，對 外型的尺寸也愈來餘纽薄又小。糊於做產^外制美觀設計， 可元全置放於手機機般内部的喊式天線便漸漸受到青睞而取代了傳 統的外露式天線。 同時，隨著手機的外觀尺寸不斷減小，天線在手機機殼内部所能 分配到的容積也受到嚴峻的限制；目前對天線體尺寸的要求已推 進至須限制在4Gx6x6 mm3的容積細内。上述容積細的三個乘積項 鲁目分別疋天線輻射體所在區域的寬度、高度以及無接地金屬區的長 、 度。除此之外，天線的操作頻帶也被要求必須完整地涵蓋GSM 850
_ (824-894 MHz)'GSM 900 (880-960 MHz)'DCS (1710-1880 MHz)>PCS (1850〜1990 MHz)、UMTS (1920〜2170 MHz)等五個規範頻帶。從諸多 的文獻中可以發現，大部份的手持式行動通訊裝置天線設計可分為兩 種類型。 第一類為迴圈天線(Loop Antenna)，組成天線輻射體的金屬微帶的 一端為饋入端，另一端則做為接地端。如此的天線型式雖然較不易受 M3 67429 . 職接地面間所產生的較絲合效應的影響，碰魄低的天線高度 來達成五頻的操作性能，但是因大部份的迴圈天線是操作在二分之一 波長的共振模態，較難以既滿足容積規格又能符合五頻操作的要求。 第二類為單極天線(M〇nop〇ie Antenna)，此一天線型式因操作於 四为之一波長的共振模態，得以易於將天線輻射體的寬度縮減至別哪 以内。但是當天線輻射體過於靠近接地面時，易導致較大的耦合效應 ' 而較難在達成五個規範頻帶的阻抗匹配下，不但具有較低的天線高 ‘ 度’也具有小於7 mm的無接地金屬區長度。 i 最近的文獻〔Tzortzakakis，Μ.，and Langley, R j Quad-Band Internal Mobile Phone Antenna,” IEEE Trans Antennas Propag., Vol. 55, No. 7, pp. 2097-2103, July 2007. ^ Villanen, J., Icheln, C., and Vainikainen, P. “A Coupling Element-Based Quad-Band Antenna Structure f〇r Mobile Terminals," Microwave Opt. Technol. Lett, Vol. 49, No. 6 pp 1277-1282，June 2007〕顯示，有些單極天線設計已能以減少至3〇χ6 > xlO mm3及45x4x4 mm3的天線輻射體容積尺寸，使天線設計達成不錯的 阻抗頻寬。然而，這些天線設計不但在VSWR〈 3標準下的阻抗頻寬仍 - 不足以完整包含五個規範頻帶，且需要較複雜的組成結構或在天線饋 入端加入阻抗匹配元件。
為了改善這個缺點，引發了另一種以電容耦合饋入的平面倒F (PIFA)型式單極天線設計〔Wong，K· L.，and Huang, C. H·， “Bandwidth-Enhanced Internal PIFA with a Coupling Feed for
Quad-Band Operation in the Mobile Phone," Microwave Opt 4 M367429
Vol. 50，No. 3，pp. 683-687，March 2008 及 Wong， K. L., and Huang, C. H., “Printed PIFA with a Coplanar Coupling Feed for Penta-Band Operation in the Mobile Phone, M Microwave Opt. Technol. Lett., Vol. 50, No. 12, pp. 3181-3186, December 2008.〕。這些天線設計著重在以饋入結構的設計達成不但具有較小的 輻射體高度’也能五頻操作的設計目標。但是伴隨而生的較大天線輻 射體寬度與複雜的輻射體構型，成為新的亟需改善之處。 主要原因應是，習知的多頻帶單極天線設計為了減少天線尺寸， 常以一個具有多段彎折形狀的金屬輻射體激發出多個非預設共振頻率 的共振模態。因此常使天線設計須以相當複雜的金屬輻射體形狀始能 達成一定外觀尺寸及操作性能。 本創作則將提出一個基於簡單的設計理念與初始發展的構型，且 依據明確的設計步驟與設計規則逐步發展而達成設計目標的天線設 计。這個天線設計可使天線的輻射體以4〇x6x6 mm3的較小容積尺寸， 達成GSM 850、GSM 900、DCS、PCS、UMTS五頻操作的特性。 【新型内容】 緣此，本齡提出-個小型化五雜作的手機天線設計方案，該 天線結構具有H1GG mm2的金屬接地面，並在金屬接地面上方 4〇 X 6 X 6刪3的長方體區域的其中兩個面上設計天雜射體及饋入结 構。所提出天線設計的結構是由—個雙倒L形金屬微帶的主體結構、 可分別產生低頻及高頻雙·以及高頻雙模態共振解的三條婉 延金屬微帶結構’以及可使_麵態達姐抗匹_料平行微帶 5 M367429 • 、，、°構所組成。其操作頻帶可完整地涵蓋GSM850、GSM9GD、DCS、PCS、 蘭等五她範解且具妓好的歸躲。依據初步龄計概念、 簡單的設計原理與調整規則而逐步發展的設計過程，將於以下詳細的 實驗舆模擬所得結果分段呈現與敘述。 【實施方式】 本創作提则、齡手_之天線料。 _ 入二參見第-圖（c) ’天線基板分為兩塊且皆採用厚度為〇 8丽且 二數為4.4的FR4基板；-塊是金屬接地面基板1 1，另一塊是 天線輻射體基板i 2。 金屬接地面基板1 1寬度為4〇删，長度為106 ΠΜ。金屬接地面 基板1 1兩側印製了具有40xl〇〇mm2面積的金屬接地面，且留有仙X 6咖的面積做為與天線輻射體基板工2間的緩衝區工3。 天線轄射主體結構則印製於面積為4〇 χ 6刪2的天線輪射體基板 _ 上，且此-天線輕射體基板工2垂直於金屬接地面基板11架設。 第則C)所不’其中金屬接地面基板1 1與天線輕射體基板1 _連接線如第-圖⑹中的橢圓虛線所示，並在第一圖⑷令放大展 >|\ 〇 本創作的天雜射主體結構依魏分為四大部分，分別為賴射體 立結構1 4、低頻雙模態產生結構i 5 i、高麵態產生結構工5 2與尚頻頻率調整結構i 5 3。 如第一圖⑹所示’輕射體主體結構1 4為-條寬度為！麵且總 6 M367429 長度預設為68 mm的雙倒L形狀的單極天線（標示為TYPE 1)，且由 40 X 6 mm2的輻射體基板1 2右上角開始，印製於E-D-C-B-A的彎折路 徑上。預期可激發在VSWR < 3約有25%阻抗頻寬的兩個共振模態，並 且頻寬起點在五頻手機天線應用頻帶（824〜960 MHz以及1710〜2170 MHz 頻帶）末端；分別位於960 MHz及2170 MHz附近。 低頻雙模態產生結構151是由一組等效於並聯電感以及串聯電 容的輕合微帶線所組成。這個結構主要是為了將低頻帶的單一共振模 態改變為雙頻共振模態。如第一圖（b)所示，等效並聯電感的性能是一 條由A點（信號饋入點）經由f點延伸至g點接地的金屬微帶所產生。 此一接地金屬微帶的寬度為1刪且由A點處往左延伸出一段長度為14 随的線#又至F點後，再向下及向右分別延伸3. 5及12. 5 mm的長度後 至G點接地^等效串聯電容的性能則是由饋入線丄6與接地金屬微帶 之間的輕合效應所產生。 為了產生適當的耦合效應，饋入線i 6與接地金屬微帶須保持〇. 2 晒的間距及足夠的長度。因此，如第—圖⑷的放大圖所示，將饋入線 16叹。十成經由η、I、J、K總長度為28 mm且線寬均為1咖的彎折式 饋入線。 南頻模態產生結構i 5 2是由接地金屬微紅的F雜左侧婉挺 延伸至Μ點，這個結構可在高頻應用頻帶附近再多產生—個共振模態。 高頻頻率調整結構i 5 3則是由饋入線丄6上的1點向右碗誕延 牡I點，可用以控制位於高頻帶的兩個激發模態的共振頻率，以使 它們能結合形成-個足以涵蓋高頻目標頻帶的寬阻抗頻帶。 7 M367429 . .丨作巾4天雜射主黯淑m計概念與設計過程詳述如 下： (1) 主體結構設計 y見第一圖’本創作所提出的天線設計是以-個弯折成雙倒l形 的^屬微帶（總長度為68咖且印製路徑為E D—C B_A) 為輻射體主體 -:α構上形成TYPE 1天線型式。依據以Ansoft HFSS電磁軟體模擬所 、邊’藉由此―結構可激發出具有預設共振解的兩個模 • 態。同時可將這兩個共振模態的操作頻帶起點分別設計在_ MHz及 2170 MHz附近且在爾〈3標準下具有約獅阻抗頻寬（這兩個共 振模態操作頻帶財心頻率分別座落在聰以及_ 附 近）TYPE 1天線型式實際製作與量測所得的㈣R鮮響應如第 所示。 為了轉上述的現象’以AnSQft鹏電磁軟體模擬τγρΕ 1天線 簡的電流分佈可得知：共振_ 的第—個鄕的四分之 _ -波長（約為68刪）的電流分佈於全部E D一c_b a的彎折内側路徑上。 共振頻率在2500腿的第二個模態的四分之一波長（約為3〇蘭）的 • 電*刀佈則是分佈於A—B—C-D的彎折外側路徑上。後續採用延伸賴射 體主體結構的尾端長度，以延長第―個職的電流分佈雜，期能降 低其共振辭。細魏減的設計方式，雖然可達餅低兩個模態 的共振頻率的效果，但是其阻抗頻寬以及匹配狀況皆大财化，而無 去凡全涵蓋五個規範鮮，必須設計—组可分別在兩個阻抗頻帶產生 兩個相鄰共振模態的微帶線結構以達成目標。 (2) 低頻雙模態產生結構設計 8 M367429 由於TYPE 1天線型式不易以所激發的單一低頻模態達成 GSM850/900所需的阻抗頻寬，因此嘗試以雙共振模態來涵蓋824〜960 MHz的阻抗頻寬。由昔知文獻[Wong, K. L.，and Kang，T. W., MGSM850/900/l800/1900/UMTS Printed Monopole for Mobile Phone Application,” Microwave Opt Technol. Lett., Vol. 50, N〇. 12, pp· 3192-3198，December 2008·]可得知，在天線設計的饋入端口設 計一組由並聯的電感元件以及串聯的電容元件所組成的匹配電路，可 將低頻帶由原本的單一模態改變為雙頻模態。然而，若能將這些集總 式的電路元件（Lumped Circuit Elements)設計為一組可達成相同功能 的分佈式的耦合微帶線結構，則可簡化天線製程、節約成本且提升輻 射效能。 如第一圖（a)及第二圖所示，等效於接地並聯電感的耦合微帶線可 在TYPE 1天線結構的饋入端口（a點處）加入一個倒[形的接地金屬 被帶而形成TYPE 2天線型式。由第三圖的阻抗分佈圖可得知：τγρΕ 2 天線毛式可使原先TYPE 1天線型式在彳峨段急遽變化的阻抗曲線呈現 較為平緩的趨勢，同時可在1050 MHz及12〇〇 處產生雙共振模態。 然而，此時的雙共振模態無法達到VSWR < 3的阻抗匹配。 如第-圖⑹及第二圖所示，等效於接地並聯電感的耗合微帶線是 將TYPE 2天線的饋人端（A點處）改為—_蜒的共面平行微帶 (C〇Planar Parallel Stnps，cps)的饋入結構，形成雨3天線型 式。此—共面平行㈣CPS的原始寬度為1 nun且以新的饋入端口（H 點）做為起點，經由〗點至】點再結束於κ點。其中將Η線段置放 於Α點右_位置以及使共面平行微帶⑽呈婉蜒型式，皆是為了產 9 M367429 生有效的電容耦合效應。 由第四圖所示的史密斯圖知道：TYPE 3天線的CPS饋入結構提升 了天線在低頻段的耦合程度，聚斂了低頻段的輪入阻抗共振環，使得 TYPE 3天線有較多的頻率進入vsWR = 3的範圍中。此時雖然部份在 824 MHz附近的頻率仍無法進入範圍中，但若將cps饋入結構中的A_F 段線寬％由原本1 mm改變為〇. 5腿，便能將低頻的阻抗頻寬大幅增寬； 如第五圖（a)所示。由第五圖（b)得知，這是因為線寬的減少，使得肋4 MHz附近的阻抗曲線向更低頻移動而達成VSfR < 3的阻抗匹配。 (3) 高頻模態產生結構設計
如第六圖所示，TYPE 3天線型式以減少A—F段的線寬％達成低頻 帶的較佳阻抗匹配而涵蓋了所需的低頻帶操作頻寬之後，在23〇〇 MHz 仍保有一個共振模態，但仍然難以此單一模態涵蓋所需的171〇〜217〇 MHz的操作頻寬。為了達成此一目標，需要在高頻帶多產生—個共振模 態’因此在TYPE 3的F鱗往左延伸-條寬度為lmm的金屬微帶至M 點’形成TYPE 4天線型式。此時可在高頻多產生一個共振於19〇〇驗 的模態。 (4) 高頻頻率調整結構設計
在第六圖中很明顯地看到TYPE 4天線的兩個模態的共振頻率（位 於1900 MHz以及2300 MHz)過高，須先予以降低再結合為—寬頻帶， 方足以涵蓋高頻的目標頻帶。因此，首先以Ans〇ft HFSS電磁軟體模 擬得到TYPE 4天線在2300 MHz共振模態的電流分佈圖。如第七圖 所示’這個鶴由電流最大至電流零闕四分之—波長分麵經是由A M367429 點經F點至G點。若在饋入線上的I點往右側延伸一條1腿寬度的 蜿蜒金屬微帶至N點，形成TYPE 5天線型式，則可改變此一共振模 態的主要電流分佈’成為由A點經F點至Μ點的路徑；如第七圖（b)所 示。如此可使原先共振在2300 MHz的模態降頻至2100 MHz。同時，也 會將共振在1900 MHz的模態降頻至1835 MHz，如第六圖所示。 本創作中’達成高頻操作頻帶頻寬的參數調整說明如下： 為使所提出天線設計在高頻操作頻帶的阻抗頻寬能涵蓋 Π10〜2170的規範頻帶，首先須調整高頻頻率調整結構的參數。由第八 圖可知’將咼頻頻率調整結構的線寬％調整至2. 5醒，可使type 5 天線共振在2100 MHz模態的阻抗頻帶的末端頻率恰能降頻至2170 MHz。然而，其與共振在18〇〇 MHz的鄰近模態之間，仍有部份頻率的 VSWR > 3。因此其藉由調整產生此一模態的結構（高頻模態產生結構） 的末端線寬，以增加阻抗概暖關蓋·〜217().的規範頻帶。 由第九圖可知’當加寬至3麵時，可增加此模態的阻抗頻寬。如此不 但能達成在VSWR〈 3的標準下包含·〜.的阻抗頻寬，同時 也包含81〇〜1100 MHz的阻抗頻寬。 本創作中’天線設計的輻射特性說明如下： 一量測所得此-天線設計的四健態的共振頻率在χ_ζ、Ym ’、里里;解面的射場形；如第十圖所示。其中可觀察得到：在 低頻模態的兩個共振解的輻射場形“非常不錯的近似全向輯射場 形(〇胍卜Direet酿i RadiatiQn Patteras)。尤其是在〇量測平^ 的輪射場形近於_。這是因魏解紐分佈社要成分是在 體主體結_ Μ路徑上，餅主要喃射場形未受職齡佈路徑 M367429 . 上的次要電流所產生輻射場的破壞。然而，在高頻模態的兩個共振頻 率的輻射場形卻因沒有如此的優點而稍有不佳。 第十圖中也顯示了模擬所得結果，其與量測結果亦相當吻合。除 此之外，第十一圖顯示了本文提出的天線設計的輻射效能’包含輻射 效率（Radiation Efficiency)、匹配效率(Matching Efficiency)、總 效率（Total Efficiency)及天線增益。在低頻帶的平均總效率約為 49.8%，高頻的平均總效率約為54· 7%。低頻帶與高頻帶的天線增益約 ' 分別在ldBi及3dBi附近。 综上所陳，本創作所提出第二型的小型化五頻操作手機天線已成 功實現與討論。此一天線設計不但具有6 χ 6 χ 4〇麵3的小天線尺寸 及簡單的輻射體設計，在VSWR<3標準下的阻抗頻寬包含81〇〜m〇MHz 及1710〜2180 MHz的頻率範圍，已完整地涵蓋GSM85〇、GSM9〇〇、⑽、 PCS、UMTS等五個規範頻帶。天線設計具有良好的輻射特性且總效率在 低頻帶平均可達到49. 8%在高頻帶平均可達到54. 6%。 B 【圖式簡單說明】 ‘ 第一圖(a)為一種TYPE 2天線輻射體結構圖， 第一圖(b)為本創作天線結構之最終天線輻射體結構圖， 第一圖(c)為本創作天線結構之最終整體結構立體圖， 第一圖(d)為第一圖(b)中部份放大圖， 第二圖顯示TYPE KTYPE 3天線量測所得之電壓駐波比頻率響應圖， f二圖顯示TYPE丨及撤2天雜顺狀輪續圖， 第四圖（a)為TYPE丨低頻帶的天線輸入阻抗史密斯圖， 12 M367429 第四圖（b)為TYPE 3低頻帶的天線輸入阻抗史密斯圖’ 第五(a)、（b)圖為TYPE 3改變％線寬時量測所得之電壓駐波比以及阻 抗之頻率響應圖， 第六圖為TYPE 3、4與5天線量測所得之電壓駐波比頻率響應圖， 第七圖（a)為TYPE 4天線在2300 MHz.的金屬表面電流分佈圖， 第七圖（b)為TYPE 5天線在2100 MHz·的金屬表面電流分佈圖， - 第八圖為調整TYPE 5天線的線寬量測所得之電壓駐波比頻率響應圖， . 第九圖為調整τγΡΕ 5天線的％線寬量測所得之電壓駐波比頻率響應 ，圖， 第十圖為量測以及模擬本創作所提出天線設計的三個激發模態共振頻 率的輕射場形圖：（a) /= 85G MHz ;⑹/=丨咖MHz ; (c) 腳 MHz ； (d) / = 2040 MHz * 第十-圖為量測本創作所提出天線設計操作頻帶内之各種效率以及增 益圖。 _ 【主要元件符號說明】 . 金屬接地面基板11 . 天線輻射體基板12 緩衝區1 3 天線輻射主體結構14 低頻雙模態產生結構151 高頻模態產生結構15 2 高頻頻率調整結構15 3 饋入線1 6 13